Multi-level virtual prototyping of electromechanical actuation system for more electric aircraft

Electromechanical actuators (EMAs) are becoming increasingly attractive in the field of more electric aircraft because of their outstanding benefits, which include reduced fuel burn and maintenance cost, enhanced system flexibility, and improved management of fault detection and isolation. However, electromechanical actuation raises specific issues when being used for safety-critical aerospace applications like flight controls: huge reflected inertia to load, jamming-type failure, and increase of backlash with service due to wear and local dissipation of heat losses for thermal balance. This study proposes an incremental approach for virtual prototyping of EMAs. It is driven by a model-based system engineering process in order to enable simulation-aided design. Best practices supported by Bond graph formalism are suggested to develop a model’s structure efficiently and to make the model ready for use (or extension) by addressing the above mentioned issues. Physical effects are progressively introduced, and the realism of lumped-parameter models is increased step-by-step. In particular, multi-level component models are architected to ensure continuity between engineering activities. The models are implemented in the AMESim simulation environment, and simulation responses are given to illustrate how they can be used for preliminary sizing, control design, thermal balance verification, and faults to failure analysis. The proposed best practices intend to provide engineers with fast, reusable, and efficient means to assess performance virtually and enhance maturity, performance, and robustness.     

弯扭复合大负载下电动舵机设计及性能试验研究

针对弯扭复合大负载工况下电动舵机快速性与稳定性匹配的问题,在分析有限空间质量约束下舵机设计要求的基础上,采用基于核心部件与系统仿真及试验验证相结合的手段,提出了一种高刚度高功率密度的抗弯扭复合大负载电动舵机设计方法。详细阐述了高功率密度伺服电机和高刚度传动机构的设计过程,并研制了工程样机。试验结果表明:该电动舵机伺服刚度与功率密度得到显著提升,在复合大负载工况下能够实现高动态高可靠稳定运行。     

CFRP反射器型面主动控制和作动器位置优化

研究了运用压电陶瓷作动器对碳纤维增强复合材料（CFRP）格栅反射器的型面主动控制。首先，采用了一种具有独立电压自由度的梁单元，以及考虑高阶剪切变形的板单元，对主控格栅反射器进行有限元建模；运用能量变分哈密尔顿原理推导了主控格栅反射器的有限元控制方程，并给出了反射面型面残余均方根（RMS）误差最小的电压最优控制方法。然后，研究了在典型载荷下，反射面残余RMS误差最小的PZT作动器位置分布的优化配置问题；提出了一种将遗传算法和梯度投影方法相结合的改进优化方法，用来求出在限定作动器数量的条件下，作动器几何位置的优化配置，使控制后反射面的残余RMS误差最小；给出的数值算例验证了方法的正确性和有效性。最后，研制了格栅反射器型面主动控制的实验样机，针对反射器的初始制造误差进行了型面主动控制，验证了控制方法的可行性和有效性。     

基于滑模变结构和扩张状态观测器的电动舵机复合控制方法

为提高电动舵机伺服系统的鲁棒性,同时解决实际工作中电动舵机不确定负载引起的跟踪精度低的问题,提出了一种采用指数趋近率的滑模变结构控制率结合扩张状态观测器对负载扰动进行实时估计的电动舵机的伺服控制方法,给出了控制器设计方法和试验验证。仿真和试验结果表明,与常规的滑模控制器相比,采用扩张状态观测器的变结构控制能有效提高电动舵机的跟踪性能。     

纯电动城市客车EMB执行机构驱动电机制动性能分析

传统气压制动系统存在压缩机、制动油箱和空气管路,占据较大空间,而采用电子机械制动(EMB)系统代替,不但可以减小空间,还能实现对夹紧力的快速响应和精确控制。以纯电动城市客车为目标车型,讨论了EMB执行机构方案,根据传统气压盘式制动器最大夹紧力推导出电机的堵转转矩和空载转速。据此设计了永磁无刷直流驱动电机,堵转转矩为10 N·m,空载转速为370 r/min。在Maxwell 2D中搭建驱动电机有限元模型,分析电机在消除间隙阶段和夹紧力增加阶段的制动性能。结果表明所设计的驱动电机制动性能可满足要求。     

直升机后缘襟翼驱动器迟滞现象仿真与抑制

直升机后缘襟翼多采用压电驱动器作为驱动元件，但是在使用过程中压电驱动器迟滞会对其振动控制性能产生不利影响，因此针对压电驱动器迟滞开展了迟滞建模与抑制研究。通过实验研究了压电驱动器在不同驱动频率下的迟滞特性，采用Bouc-Wen模型对驱动器迟滞现象进行了建模，并采用粒子群算法（PSO）辨识模型参数，与实际测量迟滞曲线进行了对比，在10~60 Hz范围内所建立的迟滞模型能够较为精确地描述压电驱动器迟滞现象。建立了基于Bouc-Wen逆模型的前馈补偿控制与PID反馈控制相结合的复合控制策略，实验结果显示该控制策略能够在10~60 Hz较宽的频率范围内有效抑制该压电驱动器迟滞现象。建立了考虑驱动器迟滞的主动控制后缘襟翼振动控制动力学模型，并对中等速度稳态前飞条件下后缘襟翼振动控制性能进行了仿真，仿真结果显示驱动器迟滞会在一定程度上削弱振动控制性能，而采用复合控制可以提高后缘襟翼旋翼振动控制性能。     

单向电永磁作动器结构优化与动态特性分析

针对电磁作动器的使用要求，设计出一种具有能耗低、吸力大及响应快等特点的新型单向电永磁作动器。结合有限元仿真软件，利用有限元法研究作动器的结构参数如铁芯齿形结构、平面结构、无永磁结构、铁芯的倾斜角度及衔铁位移（气隙厚度）等因素对作动器电磁吸力和响应速度的影响。结果表明，电磁吸力随着作动衔铁位移的增加而大幅度减小；倾角结构的铁芯设计能使作动器性能达到最佳，且铁芯的倾斜角度为50°时，电磁吸力有最大值3071N。     

平板表面薄圆柱绕流摩擦力矢量场全局测量

针对壁面摩擦力矢量场测量问题,基于剪切敏感液晶(SSLC)涂层技术建立了一种测量平板表面摩擦力矢量场的方法。该方法基于多视角测量原理,采用六台同步相机从不同方向同时采集SSLC涂层在摩擦力作用下的颜色变化,与采用单台相机相比能够降低测量噪声,并且具有测量非定常流动的摩擦力场的潜力。应用该方法测量了平板表面薄圆柱绕流的摩擦力矢量场,结果表明:(1)SSLC涂层能够以彩色方式定性显示壁面摩擦力信息;(2)通过对不同方向观测的SSLC涂层颜色进行分析处理,该方法能够高分辨率测量薄圆柱绕流的摩擦力矢量场,详细地捕获了流动特征;(3)同一份SSLC涂层可以重复使用并且可用于测量不同的摩擦力矢量场。     

扫频式射流对涡轮叶栅间隙泄漏流动影响的数值研究

为控制涡轮叶栅中叶顶间隙泄漏流动和改善涡轮气动性能,将扫频式射流器(SJA)作为一种主动流动控制方法应用在涡轮叶栅的研究中。通过非定常数值计算,分析了SJA对涡轮叶栅叶顶间隙流动的作用过程以及作用机理,并且研究了不同工况下SJA对涡轮叶顶流场改善效果以及不同频率的SJA对叶顶流场的影响。结果表明:通过在涡轮叶栅上端壁增加单个SJA装置,可以有效地延迟上端壁的流动分离,其中最佳方案射流流量仅为进口总流量的0.35%,涡轮叶栅出口截面总压损失系数减少了11.48%。存在着最佳的频率284Hz,使SJA装置对流场的作用效果最佳,有效地改善了涡轮叶栅内的间隙流动。     

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。